水力冲击压裂技术地面打靶模拟实验研究

李旭光, 孙 林, 陈维余, 熊培祺, 杨 淼

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司

0 引言

中国海上低渗油田储量丰富，开发效果普遍不理想[1-2]，例如南海东部油田，已动用低渗储层储量约占总储量的20%，但产量占比仅为7.5%。目前海上低渗油田增产措施技术以水力压裂、爆燃压裂、酸化技术为主，存在措施难度大、技术手段单一的特点。其中水力压裂技术由于平台空间小、施工成本高，目前难以实现经济开发[3]；爆燃压裂技术虽在海上油田取得较好的应用效果[4]，但是由于火工品生产、运输等资质，导致该技术在海上油田也难以规模实施；常规酸化技术对于低渗油田则表现为注入压力高、注入排量低等特点，技术改造力度有限。

水力冲击压裂技术作为一种绿色、低成本压裂技术，从上世纪80年代起，在国内开始研究并应用，目前已在中原、吉林、辽河、胜利、大庆等油田实施达上千井次，效果显著[5-8]。该技术仅需常规泵即可作业，设备占地面积小、易实施，在海上油田应用前景广阔，但是目前技术尚未在海上油田开展应用，在陆地油田研究也多集中在水力冲击压裂工具改进或实施工艺等方面[9-11]，在水力冲击压裂实验及机理研究方面匮乏。本文通过地面模拟实验装置，首次对技术造缝情况及增压效果进行了实验模拟，并建立了相关数学模型，为技术后续在海上油田推广应用提供了理论依据。

1 水力冲击压裂地面打靶实验原理

1.1 模拟实验装置

水力冲击压裂技术主要采用水力冲击发生器进行水力脉冲压裂破岩及扩缝。水力冲击发生器主要由导流短节、冲击片、冲击室、柱塞、尾管等部件组成[12]。技术基本原理如下：施工时，用油管或钻杆将水力冲击发生器下入目的层位；地面高压泵加压，当泵注压力与液柱压力之和大于冲击片破裂压力时，冲击片破裂，冲击片上的液体压能迅速转化为动能；由于导流孔处油管内液体流速很高，使环空内的液体卷入冲击室，使柱塞外部压力降低；当冲击室内的液体到柱塞位置时，速度达到最大值，高速液体撞击柱塞上，速度急剧变为零，动能急剧变成压能，产生巨大的冲击压力，将柱塞推出，形成高压冲击波致裂储层。

为验证水力冲击压裂技术造缝情况及增压效果，根据水力冲击压裂作用机理，考虑实施可操作性及安全性，设计水击管柱倾倒方案。模拟实验装置主要包括水泥靶、冲击室、油管、地面泵、压力测量等系统，采用水泥靶、冲击室、油管、地面泵依次横向连接的方式，如图1所示。根据实验场地规模大小，设计油管长度20 m，以确保液柱能够获得足够的动能致裂水泥靶，同时设计冲击室长度4 m，以确保液柱能够充分加速以获得增压。实验过程中用泵车加压，通过20 m油管压力传递至冲击片短节，冲击片破裂后，高速水流经过冲击管柱撞击至柱塞短节，水流瞬时静止，产生高压作用于水泥靶。

图1 水力冲击压裂地面打靶实验示意图

1.2 水力冲击压裂实验数学模型

水力冲击压裂水击过程根据作用机理可分为四个阶段：①泵车加压；②冲击片破裂液柱在冲击室获得动能；③液柱撞击柱塞，动能转化为压力；④压力作用于储层(水泥靶)。

水击过程根据质量守恒、动量守恒、能量守恒关系，建立实验数学模型如下：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ—任一时刻任一位置液体密度，kg/m3；V—任一时刻任一位置液体速度，m/s；F—质量力，m/s2；p—任一时刻任一位置液柱压力，Pa；U—内能，J；q—热传导量，J/s；k—热传导系数，W/(m·K)；T—液体温度，K；t—时间，s。

求解上述模型可将液柱沿压力传播方向离散成n个微元，对应水击过程四个阶段的边界条件为：

1.2.1 井口加压阶段

压力边界：p0=ph(井口加压值)

pn+1=pn(封闭边界)

速度边界：V0=0(上边界速度)

Vn+1=Vn(下边界速度)

1.2.2 液柱在冲击室获得动能阶段

pn+1=0(自由边界)

速度边界：V0=V1(上边界速度)

Vn+1=Vn(下边界速度)

1.2.3 液柱撞击柱塞，动能转化为压力过程

pn+1=0(封闭边界)

速度边界：V0=V1(上边界速度)

Vn+1=0(下边界速度)

1.2.4 压力作用于储层阶段

压力边界：p0=p1(上封闭边界)

pn+1=pn(封闭边界)

速度边界：V0=0(上边界速度)

Vn+1=0(下边界速度)

上述模型通过特定的离散方法可以求得水力冲击压裂水击过程中任一时刻任一位置处的压力值p(x,t)。

2 水力冲击压裂实验材料要求

2.1 冲击片及测压装置

冲击片是水力冲击工具的关键部件，是决定水力冲击压裂模拟实验成败的关键因素，分别设计5 MPa、15 MPa、25 MPa(具体以实际破裂压力为准)三种冲击片破裂极限，检测不同压力下的增压效果。水力冲击器前后设计压力测量装置，前端压力测量装置连接在转换接头处，后端在套管内部内置存储式P-t仪，用以检测地面泵加压至冲击片破裂后，流体经过水力冲击器后的压力变化情况。

2.2 水泥靶

依照行业标准SY-T 5891.1—1999《油气井射孔检测用混凝土靶制作规范》制作Ø1 000 mm×1 000 mm混凝土靶3个，清水养护28 d，以满足实验要求。水泥靶内置Ø244.5 mm套管，长度约1 000 mm，水泥靶中部模拟射孔，钻直径1 cm的小孔，外接直径1 cm、长度10 cm的铁管，以模拟射孔孔眼。

2.3 其他材料要求

端盖：3个，端面居中开孔，孔径115 mm，孔内居中置Ø88.9 mm外加厚接箍，采用两端环焊，焊接牢固。

水力冲击短节：2套，外径≤90 mm，配备不同压力冲击片若干套。

压力管线：采用Ø88.9 mm平式油管短节20 m以上。

地面泵：配备400型以上水泥泵车1台。

3 实验程序

在实验场地内按水力冲击压裂地面打靶实验装配现场工具，具体步骤如下:

(1)吊车将靶体吊装于安全区域，靶体套管下沿与地面平行，泄气孔位置朝上。

(2)清理模拟水泥靶靶面,并确认套管内无异物。

(3)套管内置开启后的存储式P-t仪，与端盖上Ø88.9 mm接箍连接，接箍另一端连接内置冲击片的水力冲击工具输出端，端盖在套管上拧紧。

(4)按要求在地面连接Ø88.9 mm油管短节，长度20 m，一端使用转换接头与水力冲击工具连接，一端与单向阀连接，地面管线使用地锚加固。

(5)泵车与单向阀连接，转换接头上拧紧泄气孔，连接数字式压力传感器的传输电缆，对管线进行试压，压力不大于冲击片极限值的80%。

(6)沿端盖注水口注水直至排气孔出水。

(7)传感器开始记录，实验人员撤离至安全区域，泵车沿加压管线注水，加压至冲击片极限值。

(8)实验人员进入现场，观测、记录实验结果，确定下一组试验方案。

4 实验结果及分析

4.1 水力冲击压裂地面打靶实验压力测试

地面打靶实验共进行三组，冲击片分别在泵压达到27 MPa、13 MPa、2.4 MPa条件下破裂，与三组设计冲击片极限破裂值接近，冲击片破裂后，水力冲击工具后端峰值压力监测值分别为48.5 MPa、48.1 MPa、47.3 MPa，监测到明显的增压效果，实验监测到不同冲击片破裂压力下最终增压压力值相差不大，这是因为液柱的动能主要来源于两部分，即冲击片破裂前液柱具有的压缩能和通过冲击室加速获得的能量。对于20 m液柱，不同压力下的压缩能可以忽略不计，因此实验条件下增压效果主要取决于冲击室加速获得的能量。实验条件下液柱压缩能较小，因此冲击片破裂后液柱的初始速度接近，根据水力冲击压力传播数学模型边界条件，冲击片破裂后作用于液柱上的压力为泵车水马力与液柱速度之比，因此三组实验液柱通过冲击室过程中作用于液柱的压力接近，根据动量守恒方程，最终加速获得的能量接近。

实验最终监测的增压值与水力冲击压裂模型峰值压力模拟计算值相对误差小于5%，如表1所示。

表1 水力冲击压裂地面打靶实验压力测试结果

验证了地面模拟实验装置的合理性与压力传播模型的准确性。对于现场实际井身，不同冲击片破裂压力下液柱压缩能不可忽略，基于矿场目标井储层所需破裂压力，可采用实验数学模型，为矿场应用水动力压裂峰值压力计算及冲击片破裂压力优化选取提供理论依据，确保技术在海上油田安全高效应用。

4.2 水力冲击压裂造缝效果

三组地面打靶实验均朝着预留孔眼(模拟射孔)方向形成两条贯穿靶体的裂缝，如图2所示，直观验证了水力冲击压裂技术的造缝效果，形成裂缝的相关参数如表2所示。其中裂缝半长为0.5 m，靶体轴向缝高大于90 mm，裂缝宽度大于1.5 mm，能够实现自支撑而不闭合，从而保留一定程度的流动通道。

图2 水力冲击压裂打靶后裂缝形态图

表2 水力冲击压裂地面打靶裂缝参数

海上平台由于空间制约，水力压裂措施应用受限，水力冲击压裂技术仅需常规泵即可实施，依靠技术造缝效果，可为海上油田储层改造措施提供新的技术选择。此外，水力冲击压裂技术可进一步与酸化技术进行联作[13-14]，采用酸液作为冲击液，实现清洗扩缝、进一步防止裂缝闭合的目的，增强储层改造效果。

4.3 水力冲击压裂井下峰值压力实例计算

以海上油田某直井为例，井垂深1 547 m，油藏资料显示储层疏松，因此地层破裂压裂梯度采用0.016 MPa/m(海上油田该深度储层破裂压力梯度普遍为0.016～0.018 MPa/m)，根据目标井段深度数据计算，目标井段地层破裂压力为24.75 MPa，井筒静液柱压力15.16 MPa(静液柱压力梯度按照0.0098 MPa/m)。根据相关压裂作业经验，水力冲击压裂井下峰值压力可设计为破裂压力的1.1～1.5倍，在不破坏管柱的限制压力下，尽可能获得更好的增产效果[15]。采用直径127 mm、长度13 m冲击室及Ø88.9 mm钻杆进行作业，采用前述水力冲击压裂数学模型，计算不同冲击片破裂压力条件下井下峰值压力如表3所示。

表3 不同冲击片压力下井下峰值压力模拟结果

综合比较，冲击片破裂压力越大，峰值压力越高，考虑井筒作业安全性以及给井口加压留有一定安全余量，因此选择冲击片破裂压力为25 MPa，井下峰值压力可达地层破裂压力的1.45倍。

5 结论

(1)实验根据水力冲击压裂作用原理设计了水力冲击压裂地面打靶模拟实验装置，冲击片分别在27 MPa、13 MPa、2.4 MPa条件下破裂，水力冲击工具后端峰值压力监测值分别为48.5 MPa、48.1 MPa、47.3 MPa，增压效果明显，压力监测值与建立的水力冲击压裂水击过程压力传播模型模拟值相对误差小于5%，验证了地面模拟实验装置的合理性与压力传播模型的准确性，为后续矿场应用峰值压力设计及冲击片破裂压力选取提供了理论依据。

(2)通过地面打靶实验直观验证了水力冲击压裂技术的造缝效果，技术仅需常规泵即可实施作业，依靠其造缝效果，可为海上油田储层改造措施提供新的技术选择，有效解决目前海上低渗油田增产措施技术应用受限的难题。